面向恶劣环境的嵌入式软件错误检测系统的设计与实现

发布时间：2020-07-22 02:21

【摘要】：随着集成电路等半导体制作工艺的迅速发展,微处理器等芯片的尺寸越来越小,性能也随之增高,但是对电磁辐射等外界环境也越来越敏感。恶劣环境易引发嵌入式系统软硬件故障,可能会造成硬件永久失效,也可能使某些部件瞬时失效。瞬时故障可能会产生软错误,使得嵌入式软件的可靠性受到严重影响。针对现有的检测技术还存在诸多检测盲点,检测率还有待提高等问题,本文对现有的软件加固技术进行了分析,对控制流错误检测技术和数据流错误检测技术进行了深入研究。论文主要研究工作如下:1)采用基本块和标签技术描述程序的控制流,设计并实现了一种基于动静标签的程序控制流错误检测机制。该机制可以有效地检测出程序基本块之间和基本块内部的控制流错误。与一般控制流错误检测方法相比,本文设计的方法具有可以在当前基本块发现错误的优点。该机制通过动静结合的标签分配和插入检测断言实现错误检测,且在基本块中可灵活配置标签及检测断言,进一步还给出了性能优化方法。2)针对软件数据流错误问题,本文研究了冗余复制技术,考虑数据的差异性,设计了一种面向源代码级的程序数据流错误检测机制。该机制的特点是冗余复制范围仅限于活跃数据,可减少数据运算操作的冗余开销,进一步给出了错误处理方案以及减少性能消耗的优化方法。3)设计并初步实现了软错误的模拟方案,搭建了一个故障注入平台。4)设计并初步实现了一个面向恶劣环境的软件错误检测系统。系统测试实验表明,实现的面向恶劣环境的软件错误检测系统,具有基本块分析、控制流检测、变量分析、数据流检测等功能。系统具有较高的检测率和可接受的性能消耗。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP311.53
【图文】：

性能,存储开销,原程序

0510BS QS MM图 3.10 程序失效率制流错误检测算法的实现需要对程序中添加冗余代码，由此会产生额外的存储空间和能开销增大。存储开销，由加入检测算法后的程序大小与原程序大小来确定；时间开测算法后的程序实际运行时间与原程序运行时间来确定。 3.11 表示了 RSCFC，CFCSS，SCFD 三个算法的时间开销和存储开销。从图 3.11 中CFD 算法的平均时间开销约为 48%，平均存储开销约为 58%，而 RSCFC 算法的平均 57%，平均存储开销约为 60%，CFCSS 算法的平均时间开销约为 46%，平均存储开RSCFC 的添加的指令运算复杂，故性能开销大；SCFD 的性能开销略高于 CFCSS，低检测延时性。由此可见，本文设计的控制流错误检测算法 SCFD 有着较高的软错误定程度上减少了性能开销。

生命周期,变量,语句

}if（！condition）//重复判断条件error（）；}图 4.2 Thor 检测示例.2 数据流特征分析源代码程序中的语句主要有两个类型，表达式语句和控制语句。如果表达式语句出现了软错序会发生计算错误，使得应用输出错误。当软错误发生在控制语句时，条件运算出错，使程序能运行到错误分支，而导致程序得到错误的结果。为了解决这些问题，本文提出一种程序数据误检测方法在源代码级对数据变量通过设置的静态标签与其异或运算引入数据差异性，将运算作为原变量的副本备份，在代码中使用变量之前插入检测代码，进行变量的数据错误检测。根错误在系统中出现的故障率[64-66]，我们认为在程序的一次运行中，硬件系统仅仅发生一次软错本文方法主要针对程序中的变量，需要分析变量的特征。在源码级，数据变量的操作主要有和引用两种形式[68]。定值是指该语句运行后会改变变量的值，则该语句为定值操作。引用是指句运行后会使用到变量但是不改变它的值，则该语句为引用操作。如图 4.3 所示程序中所有的都存在一个生命周期，其中包括变量活跃区间，变量死亡区间。

性能,存储开销,检测算法

面向恶劣环境的嵌入式软件错误检测系统的设计与实现。为了检测数据错误，本文方法通过添加冗余代码实现，由此带来了额外的运行时间与存储开销通过比对原程序文件和加入了检测算法后的程序文件的大小来确定；性能开销通过序统计运行时间并求其平均值来确定。图 4.10 为本文设计的数据流检测算法 DLD 与其检测算法的性能开销对比，DLD 存储开销约为 130%，运行时间开销约为 95%。DLD 的于 ThoR，ThoR 的存储开销约为 289%，时间开销约为 262%。ThoR 和 DLD 都是源代码测方法，ThoR 不仅要复制变量，还要进行冗余计算，DLD 仅考虑活跃变量。DLD 的性 EDDI，EDDI 的存储开销约为 120%，时间开销约为 74%。EDDI 是指令级实现的检测译器和具体的平台要求较高，实现繁琐，而源代码级实现的方法具有平台无关性，有较性和扩展性。由此可见本文设计的数据流检测算法 DLD 有着较好的软错误检测能力且降低性能开销。

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